Розуміння стану акумулятора: SoC, SoH та сучасні методи діагностики

Чому індикатори заряду неточні?

Користувачі акумуляторів хочуть, щоб на їхніх пристроях чітко відображався стан заряду (SoC) та час роботи, що залишився. Додатки для смартфонів роблять це дивовижним чином, але виникає питання про ресурс, на якому базується ця інформація. Хоча дані можна легко оцифрувати для вигаданого шоу, електрохімічний акумулятор, серце джерела живлення, є складним, багатогранним та погано вивченим.

Більшість користувачів розглядають акумулятор як пристрій для зберігання енергії, що нагадує паливний бак. Для спрощення акумулятор справді можна порівняти з такою посудиною; однак вимірювання накопиченої енергії в електрохімічному пристрої набагато складніше, ніж вилучення рідини з нерухомої ємності.

У той час як звичайний покажчик рівня палива є статичним, покажчик рівня палива акумулятора є динамічним. Напруга холостого ходу (OCV) дає лише приблизні оцінки стану заряду (SoC) резервуара, який поступово зменшується в розмірах. Навіть якщо ємність акумулятора знизилася зі 100% до 50% з часом використання та старіння, покажчик рівня палива все одно показуватиме 100% заряду після перезарядки. Хтось запитує: «100% чого?». Немає зв'язку між SoC та станом здоров'я (SoH), і відображення SoC, приховуючи SoH, є головним недоліком більшості покажчиків рівня палива акумулятора.

Обмеження вимірювання за напругою

Найпростіший спосіб зчитування SoC – це за напругою, але це може бути неточно. Акумулятори в межах одного хімічного складу мають різну архітектуру та забезпечують унікальні профілі напруги. Температура також відіграє певну роль; тепло підвищує напругу, а холод знижує. Крім того, заряджання та розряджання збуджують акумулятор, і напруга більше не відображає правильне значення SoC. Акумулятору потрібно кілька годин відпочинку, щоб відновити рівновагу (для свинцево-кислотних – до 24 годин). Однією з найбільших проблем є плоска крива напруги розряду деяких літієвих систем, особливо літій-залізофосфатних акумуляторів.

Батарейні монітори

Відстежуй основні показники акумуляторів та будь у курсі стану твого акб

Батарейний монітор Victron BMV-700

Монітор підходить для AGM, GEL, а також літієвих батарей LiFePO4, і вимірює напругу, струм, спожиту ємність, час до розрядження, а також може опціонально відображати температуру батареї.

Купити

Батарейний монітор Victron SmartShunt 500A

Це інтелектуальний шунт з функціями повноцінного батарейного монітору, який підключається до вашого смартфона або GX-пристрою через вбудований Bluetooth або VE.Direct порт.

Купити

Батарейний монітор Victron SmartShunt 500A IP65

Вдосконалена версія популярного SmartShunt, розроблена для використання у вологих, пилових або морських умовах, з повним захистом корпусу за стандартом IP65

Купити

Подивитися більше

Cистеми керування акумулятором (BMS)

Датчики стану акумулятора як частина системи керування акумулятором (BMS) проникають у транспортні засоби. На рисунку 1 показано датчик для стартерного акумулятора, який зчитує напругу, струм і температуру, щоб забезпечити стан заряду акумулятора (SoC) та виявити аномалії. Ці пристрої працюють досить добре, коли акумулятор новий, але з часом втрачають точність. Старіння відбувається по-різному, коли акумулятор експлуатується за високих температур або піддається інтенсивному навантаженню. Хибні тривоги є поширеними, оскільки універсальний алгоритм компенсації старіння важко реалізувати.

Рисунок 1: Датчик акумулятора стартера зчитує напругу, струм і температуру для оцінки SoC.

BMS також контролює стан акумуляторів у мобільних телефонах, ноутбуках, медичному обладнанні, електромобілях та інших електронних пристроях. Система керування захищає літій-іонні елементи від перенапруги, запобігає надмірному струму та виявляє екстремальні температури для забезпечення безпечної роботи та тривалого терміну служби акумулятора. BMS також оцінює SoC, повідомляє вторинні дані, а іноді також виконує балансування елементів. Сучасні системи включають кулонівський підрахунок вхідних та вихідних струмів доріжки.

BMS для літієвих АКБ

Захищає батареї від перезаряду, глибокого розряду, перегріву та надвисокого струму

Victron VE.Bus BMS V2 – система управління літієвими акумуляторами LiFePO4 Smart

Розумна система керування батареями LiFePO4 Smart від Victron

Купити

SmallBMS – BMS для LiFePO4 Smart акумуляторів Victron

 Компактна система керування батареями Victron Lithium Smart (LiFePO4), що забезпечує базовий захист акумуляторів від глибокого розряду, надмірного заряду та перегріву.

Купити

Smart BMS CL 12/100 – інтелектуальний захист LiFePO4 батарей у 12В системах від Victron Energy

Поєднує обмеження струму з генератора, Bluetooth-моніторинг, аварійні виходи та модульну взаємодію з іншими пристроями Victron – все в одному пристрої!

Купити

Подивитися більше

Кулонівський підрахунок покращує роботу системи управління акумулятором (BMS), але це не є повністю надійним методом; енергія, що виходить, завжди менша за ту, що подавалася в акумулятор. Внутрішні втрати та саморозряд сприяють цьому дефіциту. З часом виникає помилка відстеження між електрохімічним та цифровим акумулятором , яку необхідно виправити за допомогою калібрування, застосовуючи один або кілька циклів заряду-розряду. Періодичне циклування можна пропустити, якщо акумулятор регулярно повністю розряджається самостійно.

Сучасні датчики рівня палива мають функцію навчання , яка відстежує поведінку користувача. Функція навчання також вимірює, скільки енергії акумулятор віддав під час попереднього розряду, і відзначає час заряджання, оскільки розряджений акумулятор заряджається швидше, ніж хороший, оскільки його менше для заповнення. Деякі системи також записують кількість циклів, глибину розряду, умови навантаження та температуру для визначення стану акумулятора (SoH). Система управління будівлею (BMS) з функцією навчання може не потребувати калібрування, оцінки ємності можливі, але акумулятор повинен залишатися у головному пристрої. Більшість акумуляторів у мобільних телефонах, ноутбуках та автомобілях підпорядковуються головному пристрою та відповідають вимогам.

Ємність: головний показник здоров'я

Ємність – це головний показник стану, який показує, скільки енергії може утримувати акумулятор. Існує три основні методи її оцінки:

Глибока діагностика: Електрохімічна імпедансна спектроскопія (EIS)

Кінцева мета — протестувати акумулятор за кілька секунд. Існують пристрої для тестування акумуляторів, які обіцяють це зробити, але більшість із них покладаються на показники напруги та внутрішнього опору. Свинцево-кислотні та літій-іонні акумулятори покращилися; кращі електроліти підтримують низький внутрішній опір, зменшуючи корозію. Це робить резистивні вимірювання застарілими як швидка та проста перевірка стану нагріву.

Щоб дослідити зв'язок між опором і ємністю, Cadex дослідили 175 старіючих стартерних акумуляторів і виявили кореляцію лише 0,55. Ідеально рівним було б 1. Літій-іонні акумулятори поводять себе подібно до свинцево-кислотних; проте нікелеві акумулятори все ще можна оцінити за допомогою резистивного вимірювання.

Твердження, що тестер акумуляторів, який вимірює внутрішній опір, здатний оцінити ємність, є оманливим. Реклама функцій, які виходять за межі можливостей обладнання, заплутує галузь, змушуючи її вірити, що багатогранних результатів можна досягти за допомогою базових функцій тестування. Виробники усвідомлюють складність оцінки акумуляторів, але це не заважає їм давати зайві обіцянки. Можна провести аналогію з шампунем, який обіцяє відростити пишне волосся на лисині чоловіка.

Вчені дуже довіряють електрохімічній імпедансній спектроскопії. EIS сканує батарею з частотою в діапазоні від 1 до 2000 Гц. Відбитий сигнал створює графік Найквіста, який характеризує окремі компоненти моделі Рендлса. Рендлс – це представлення батареї, що складається з омічних та реактивних компонентів. Спрощена модель проілюстрована на рисунку 2. Хоча EIS здатний зчитувати окремі значення шляхом екстракції, оцінка ємності неможлива.

Рисунок 2: Спрощена модель Рендлса свинцево-кислотної батареї.

Компанія Cadex Electronics зробила ще один крок вперед у сфері електрохімічної імпедансної спектроскопії (EIS) та розробила багатомодельну електрохімічну імпедансну спектроскопію , або скорочено Spectroä. Механізм Spectro™ розміщено в Spectro CA-12 , портативному тестері акумуляторів, здатному зчитувати ємність акумулятора, CCA та стан заряду свинцево-кислотного акумулятора за допомогою неінвазивного 15-секундного тесту. Прилад сканує акумулятор сигналом 20-2000 герц, ніби знімаючи ландшафт, а DSP (цифровий сигнальний процесор) обробляє 40 мільйонів транзакцій для обчислення результатів. Тестер використовує матрицю як орієнтир, акумулятор повинен мати SoC щонайменше 60%; тест можна проводити під стабільним навантаженням, але не під час заряджання. Прилад ілюструє малюнок 3.

Майбутнє: Трипозиційний покажчик рівня палива

Двигун Spectro™ також можна використовувати для моніторингу застосувань, додавши відсутню ланку – ємність. Це перетворює простий датчик акумулятора на вдосконалену систему управління будівлею (BMS). Знаючи ємність та стан заряду, можна розробити тристанний індикатор рівня палива , який показує доступну енергію, порожню частину, яку можна поповнити, та непридатну для використання частину, яка втрачена назавжди. Це призводить до всеохоплюючого стану функціонування (SoF), що відображає моментальний стан акумулятора в будь-який момент часу. Рисунок 4 ілюструє цю концепцію.

Рисунок 4: Трипозиційний покажчик палива оцінює корисну, порожню та непридатну частини.

Знання SoF значно покращує перевірку акумуляторів, але деякі виробники пристроїв вагатимуться показувати споживачеві ємність менше 100%, особливо протягом гарантійного періоду. Незважаючи на занепокоєння споживачів, SoF запропонує значний прогрес для галузей, які залежать від акумуляторів, оскільки він показує залишкову ємність акумулятора для розрахунку часу роботи та прогнозування можливої ​​заміни.

Також ведуться розробки для вимірювання SoC за допомогою EIS. Це забезпечить оцінку SoC незалежно від напруги, що дозволить зчитувати залишкову енергію акумулятора під навантаженням. Однією з проблем буде розробка матриць для кожного типу групи акумуляторів. Матриці - це таблиці пошуку, з якими порівнюється акумулятор щодо оціночної ємності та SoC.

Підсумки та аналогія зі слоном

Потрібні додаткові дослідження в галузі діагностики та моніторингу акумуляторів. Сучасні технології відстають від досягнень у мікроелектроніці та фармацевтиці. Складається враження, що тестування акумуляторів все ще живе в середньовіччі. У нас навіть немає надійного методу вимірювання стану заряду; оцінка ємності, провідного показника здоров'я, все ще відстає.

Професор Марк Оразем порівнює складність тестування батарейок з індійською казкою, в якій сліпі чоловіки торкаються слона, щоб дізнатися, з чого складається речовина. Кожен чоловік торкається різної частини тіла, порівнює нотатки, але врешті-решт розходиться з думками. Діагностика батарейок є складною навіть для зрячої людини, оскільки не існує єдиного вимірювання, яке може точно кількісно визначити стан батарейки. Лише набір ретельно отриманих характеристик призведе до правильної діагностики.

Рисунок 5: Казка про сліпих чоловіків дає уявлення про складність такої теми, як батарейка.

Зарядні пристрої Victron Energy

Високоякісні зарядні пристрої для довговічної служби та надійності роботи

Зарядний пристрій Victron Blue Smart IP22 Charger 12/30 (1)

 Ідеально підходить для використання в майстернях, а також для заряджання акумуляторів автомобілів, мотоциклів, човнів та кемперів.

Купити

Зарядний пристрій Blue Smart IP65 Charger 12/15

Завдяки класу захисту IP65, пристрій стійкий до пилу та води, що робить його ідеальним для використання в суворих умовах.

Купити

Зарядний пристрій Victron Phoenix Smart IP43 Charger 12/30 (3) 120/240V

Оснащений Bluetooth-інтерфейсом для простого налаштування й моніторингу через додаток VictronConnect. Висока ефективність та надійність роблять його ідеальним рішенням для комерційних, промислових та морських застосувань.

Купити

Подивитися більше